Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

332 Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

ного луча, но и его фокусировка. К таким электродам относятся ускоряющие электроды и аноды - обычно один или два. Прин­

ципы работы электронных прожекторов во многом аналогичны

принципам действия оптических фокусирующих систем, поэто­

.му раздел электроники, изучающий фокусировку электронных по­

токов и законы их движения, называется элекrронной оптикой. Не­

однородные аксиально-симметричные электрические поля, фор­

мируемые системами электродов и используемые для изменения

скорости и направления движения электронов, называются элек­

тронными линзами. Однородные и неоднородные магнитные поля могут быть также использованы в качестве линз.

Триодный прожектор. Большинство прожекторов современ­

ных электронно-лучевых приборов строят 'по двухлинзовой оп­

тической схеме. Использование двухлинзового прожектора с первой сильной (короткофокусной) линзой и второй слабой (длиннофокусной) позволяет получать в плоскости экрана сече­ ние электронного луча с диаметром порядка 0,1 мм при диа­ метре эмитирующей поверхности катода около 1 мм. Пример­ ный вид распределений неоднородных электрических полей, образующих две линзы, и траектории электронов 7 в триодном электронном прожекторе приведены на рис. 12.2.

Первая линза Л1 в этом прожекторе образована катодом 2,

модулятором 3 и первым анодом 5, а вторая линза Л2 формиру­ ется между первым (5) и вторым (6) анодами. Следовательно,

первая и вторая линзы прожектора, кроме фокусировки, еще и

ускоряют электроны. В области Л1 электрическое поле с поло­

жительным градиентом доходит до поверхности катода и вытя­

гивает электроны, испускаемые катодом. Поскольку первая

линза вытягивает электроны из катодной области и ускоряет их,

она должна быть только электростатической. Вторая линза про­ жектора может быть как электростатической, так и магнитной.

В рассматриваемом случае обе линзы можно представить как

совокупность собирающей (двояковыпуклой) и рассеивающей (двояковогнутой) элементарных линз. Собирающая линза обра­

зована неоднородным электрическим полем с эквипотенциаль­

ными поверхностями, обращенными выпуклостью к катоду, а

рассеивающая - эквипотенциальными поверхностями, обра­

щенными в сторону экрана. Преломляющее действие собирающей

линзы больше, чем рассеивающей. Из-за большего потенциала в области рассеивающей линзы скорости движения электронов

Изменяя потенциал первого анода, чтобы сфокусировать элек­ тронный поток оптимальным образом, мы тем самым будем ме­

нять характеристики и конфигурацию электрического поля у по­

верхности катода и, следовательно, ток луча, т. е. яркость. С дру­

гой стороны, при изменении напряжения на модуляторе для

регулировки яркости будет нарушаться фокусировка. Для устра­ нения этих нежелательных явлений используют триодные про­

жекторы с нулевым током первого анода, которые применяются в

большинстве·современных приемных трубок.

Вэтом типе прожектора (рис. 12.4, а) между первым анодом

А1 и модулятором М располагается ускоряющий электрод VЭ в

виде длинного цилиндра с диафрагмами, ограничивающими по­

перечные размеры электронного пучка. Первый анод выполнен в виде диафрагмы с отверстием в 2-3 раза больше диаметра

пучка, что практически исключает попадание электронов на

этот электрод. При такой конструкции А1 и VЭ ток в цепи пер­

вого анода равен нулю, что позволяет питать электроды про­

жектора от общего делителя напряжения. Из-за отсутствия то-

а)

б)

Рис. 12.4

336Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

12.3.Электронный прожектор с магнитной фокусировкой

В ЭЛТ с магнитной фокусировкой в качестве второй (главной) проекционной линзы, отображающей скрещение траекторий

электронов на экран, используется неоднородное магнитное по­

ле (магнитная линза) короткой катушки, у которой диаметр соиз­ мерим с ее толщиной (длиной). Катушка заключена в ферромаг­ нитный панцирь и надевается на горловину трубки.

В трубках с магнитной фокусировкой используют как триод­ ный, так и тетрадный прожекторы. Тетрадный прожектор при­ меняют, когда необходимо получить высокую разрешающую

способность и малые искажения при отклонении. В этом случае

электроны после скрещения имеют меньший угол расхождения

по сравнению с триодным типом прожектора, что приводит к

уменьшению сечения луча в области главной проекционной магнитной линзы и отклоняющей системы.

Неоднородные магнитные поля, используемые в электронно­ лучевых приборах, создаются катушками, через которые проте­ кает ток. Для получения нужной структуры магнитного поля ис­

пользуются полюсные наконечники и магнитные экраны, изго­

товляемые из материалов с большой магнитной проницаемостью.

Применение таких материалов позволяет добиться нужной фор­

мы магнитного поля.

Магнитные поля, применяемые в большинстве ЭЛТ, являют­

ся аксиально-симметричными. Такие поля создаются круговы­

ми катушками с ферромагнитными оболочками.

Принцип фокусировки электронного луча неоднородным маг­

нитным полем короткой катушки можно проиллюстрировать

с использованием рис. 12.5.

В общем случае вектор скорости электрона vнаправлен под

некоторым углом а к оси катушки. Если электрон находится в

точке А (рис. 12.5, а), то вектор индукции магнитного поля В

и вектор скорости vимеют как радиальные Br и vr, так и осе­

вые (аксиальные) Ба и va составляющие. Как известно из курса

физики, на электрон, движущийся под произвольным углом

по отношению к направлению магнитного поля, действует сила

Лоренца Fм = -e[v х В]. Составляющая силы Лоренца Fм~

(рис. 12.5, б), обусловленная скоростью электронов va и вектором

Br, направлена из-за плоскости чертежа на читателя. Векторное

произведение [v хВ] представляет собой правую тройку векторов, но при определении направления силы Fнеобходимо учитывать отрицательный знак заряда электрона и тогдаFм - -[u х В]. Сила

б)

в)

а)

Рис. 12.5

Fмt вызывает вращение электронов около оси, т. е. по.являете.я

азимутальная составляющая скорости i\, которая совместно с Ва

образует силу Fмr' направленную к оси катушки (рис. 12.5, в).

Описанная ситуация сохраняется до плоскости, проходящей IJ:epeз центральную линию 0 10 2 катушки перпен,Z(икул.ярно ее оси. Таким образом, при движении электрона до этой плоскос­

:rи, он перемещается по спирали с уменьшающимся радиусом,

отклоняясь к оси катушки. После пересечения плоскости 0 10 2

направление радиальной составляющей индукции магнитного

поля Br меняется на противоположное, и, следовательно, сила

F~t будет направлена навстречу силе Fм· Однако после пересе­

чения этой плоскости электроны уже отклонились к оси, где

значения Br меньше, и поэтому поперечная сила F м ~ vtBa будет

направлена в ту же сторону, что и ранее. Тангенциальная сила

F~t справа от плоскости 0 10 2 будет уменьшать скорость враще­ ния электрона, который пересечет ось в некоторой точке С. Из­

меняя индукцию магнитного поля за счет регулирования тока в

:катушке, можно добиться пересечения траекторий электронов с

осью трубки в плоскости экрана (см. рис. 12.5), обеспечивая тем

самым фокусировку электронного потока.

В силу того что в магнитных линзах допустимы большие апер­

турные углы, разрешающая способность трубок с такой фокуси-

ровкой увеличиваете.я, потери электронов внутри линзы отсутст­

вуют, так как нет ограничивающих диафрагм и ток луча близок к току катода, т. е. крутизна модуляционной характеристики су­ щественно больше; токи луча также намного больше (несколько

мА), чем в трубках с электростатической фокусировкой (сотни

мкА). Однако увеличение сечения пучка, как следствие больших апертурных углов в области главной проекционной линзы, при­ водит к большим, по сравнению с электростатической фокуси­ ровкой, диаметрам луча в области отклоняющей системы, что

может вызывать сильные искажения при использовании элек­

тростатического отклонения. Поэтому магнитная фокусировка, как правило, требует и магнитных отклоняющих систем.

12.4. Отклоняющие системы

Основное назначение отклоняющих систем состоит в простран­

ственном перемещении сфокусированного электроиного луча.

Есть два принципиально различных типа отклоняющих сис­

тем: электростатическая, в которой отклонение электронного

луча осуществляете.я поперечным (по отношению к вектору ско­

рости электронов) электрическим полем, и магнитная, исполь­

зующая поперечное магнитное поле.

Отклоняющие системы должны обладать хорошей чувстви­

тельностью и малыми искажениями сигналов.

Если требуете.я перемещать луч последовательно по всей плос­ кости экрана, то простейшая электростатическая отклоняющая

система состоит из двух пар попарно ортогональных пластин,

расположенных последовательно вдоль оси трубки. Одна пара

пластин отклоняет луч в вертикальном направлении, другая - в

горизонтальном. Рассмотрим движение электронов между парой

полубесконечных плоских пластин под действием пол.я€, созда­

ваемого разностью потенциалов, приложенной к пластинам.

Уравнения движения (см. приложение 2) нерелятивистских электронов в декартовой системе координат (рис. 12.6) при нали­ чии только поперечного электрического пол.я€= -€z (€х = €у= О)

имеют вид

Для получения уравнения

.траектории выражаем из первого уравнения (12.6) время t и

:подставляем этот результат в формулу·для z:

(12.7)

Таким образом, согласно (12. 7) траекторией движения

электрона в однородном электростатическом поле плоских

·:пластин является парабола. Электроны на выходе из пластин

..ЛИНОЙ 11 ОТКЛОНЯЮТСЯ На Величину z1 (см. рис. 12.6):

·:Пряжение на втором аноде, определяющее скорость электронов

fvхо на вх.оде в пластины.

Угол отклонения а направления движения электрона от пер­

воначального на выходе из пластин определяется дифференци­

;~юванием выражения (12. 7) по х (при х = 11):

Полное отклонение hэ луча на экране (см. рис. 12.6) опреде­

·ляется формулами

рая обычно содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикуляр­ ных направлениях. Аналогично электростатической отклоняю­ щей системе одна из пар катушек отклоняет луч в вертикальной, а другая - в горизонтальной плоскости. Рассмотрим отклонение электрона однородным магнитным полем одной пары катушек

(рис. 12. 7). В однородном магнитном поле (В= Ву, Вх = В2 =О, при

полном отсутствии электрического) уравнения движения электро­ на в декартовой системе координат имеют вид

(12.10)

Система уравнений (12.10) справедлива для вычисления тра­

ектории электронов как в магнитных отклоняющих, так и в фо­

кусирующих системах. Сила Лоренца, действующая на элект­

рон, перпендикулярна вектору его скорости v, поэтому величина

полной скорости электрона v= Jv; + v~ + v; остается постоян­

ной, а направление его движения непрерывно изменяется.

Если принять, что при t =О х0 =О, z 0 =О, v20 =О, vxo = v0 , то

решение системы (12.10) можно записать в виде

(12.11)

где ffiц = mе В - электронная циклотронная частота.

Уравнения (12.11) описывают траекторию, которая представ­

тv0

ляет собой окружность радиуса R = еВ , следовательно, в одно-